【文章內(nèi)容簡介】 條件下工作的。恒流源因其穩(wěn)定度高，使輸出穩(wěn)定。 PN結(jié)靠正向低壓工作，稍強(qiáng)的電壓電流 都會使激光器受損。在設(shè)計(jì)電路中，應(yīng)該加個(gè)軟啟動(dòng)電路，使電壓電流緩慢加在半導(dǎo)體激光器激光器兩端。 ，輸出功率越大，溫度越高。致使半導(dǎo)體激光器 PN結(jié)的閾值電流增大，對輸出功率有影響，反 過來對半導(dǎo)體激光器有損壞。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)加個(gè)反饋電路，減小溫度對輸出功率的影響。 系統(tǒng)輸入的脈沖信號，短脈寬，低占空比，電路設(shè)計(jì)可以不用考慮冷卻裝置。本次設(shè)計(jì)也是用到單片機(jī)來調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比來減小溫度的影響 。 以前多用制冷器或者反饋燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 電路來達(dá)到降溫，此處 用占空比減小溫度可以節(jié)省材料，對裝置便利性提高很大。 半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)方式 激光器的 類型不同，應(yīng)用場合不同，驅(qū)動(dòng)方式也不同， 操作也不同， 下面是幾種常見的驅(qū)動(dòng)方式。 表 24 半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng)原理 恒流驅(qū)動(dòng) 應(yīng)用信號的負(fù)反饋?zhàn)饔?，來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，常會使電流穩(wěn)定流入，輸出功率也很穩(wěn)定。 恒功驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)電流增大，輸出功率增大，驅(qū)動(dòng)電流減小，輸出功率減小。用 PD光電二極管監(jiān)視驅(qū)動(dòng)電流，來使輸出功率穩(wěn)定。 脈沖驅(qū)動(dòng) 半導(dǎo)體激光器常用的驅(qū)動(dòng)方式 ，多用于信息調(diào)制 本次設(shè)計(jì)，應(yīng)用了上述的恒功驅(qū)動(dòng)，通過單片機(jī)調(diào)節(jié)脈沖占空比，減少了溫度的影響。使電路簡化了一步。 A F U UiIUf 圖 23 恒流驅(qū)動(dòng)電路原理框圖 本章小結(jié) 本章分析了半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與選型，介紹了半導(dǎo)體激光器的內(nèi)部構(gòu)造。通過了 解激光器的各項(xiàng)參數(shù) 進(jìn)而清楚了半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器的工作原理。根據(jù)半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的特點(diǎn)，規(guī)定了設(shè)計(jì)電路的要求，同時(shí)也選擇了電路的驅(qū)動(dòng)方式。第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 9 第 3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 總體方案的設(shè)計(jì) 本論文討論的是高強(qiáng)度雙波長半導(dǎo)體激光治療儀的研制： 808nm 激光和 980nm 激光。兩者的連續(xù)輸出功率達(dá)到零到三十瓦，脈沖的輸出功率達(dá)到零到一百瓦，脈寬和脈沖連續(xù)可調(diào)的范圍是十毫秒到十秒。半導(dǎo)體激光治療儀因其便攜，安全，機(jī)型小，操作簡單，壽命長而被廣大市場接受。本次設(shè)計(jì)也應(yīng)根據(jù)半導(dǎo)體激光器的特性，設(shè)計(jì)出合理的電路。由半導(dǎo)體 激光治療儀的工作原理及半導(dǎo)體激光器的特性可知，整機(jī)由智能控制系統(tǒng)即單片機(jī)系統(tǒng)， 電源控制系統(tǒng)，功率控制系統(tǒng)和激光器等組成，其框架圖如圖 31 所示。 輸 入 電 路 執(zhí) 行 電 路 8 0 8 n m 激 光 器單 片 機(jī) 系 統(tǒng)功 率 控 制 電 路顯 示 電 路 電 源 控 制 電 路 9 8 0 n m 激 光 器 圖 31 半導(dǎo)體激光治療儀硬件電路原理圖 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 智能控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，單片機(jī)是該模塊中技術(shù)較進(jìn)步的部件，他有其獨(dú)特的特征，在自動(dòng)控制領(lǐng)域中運(yùn)用較廣泛，列如工業(yè)制造、儀器智能化、家用電器等各種方面。單片機(jī)的小體積、高性能、低價(jià)格等各種突出特點(diǎn)隨著技術(shù)的進(jìn)步逐漸在應(yīng)用領(lǐng)域不斷 發(fā)展。除了上述領(lǐng)域外，單片機(jī)也在進(jìn)軍高檔電子玩具領(lǐng)域，總之，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，單片機(jī)的時(shí)代已經(jīng)到來。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 本次設(shè)計(jì) 運(yùn)用 8 位的單片機(jī)。因?yàn)橄到y(tǒng)需要對電壓控制檢測，該電壓一般是模擬量，需要變成數(shù)值量 。所以本次設(shè)計(jì)中的需要有個(gè)上述量 的轉(zhuǎn)化器。 本次課題研究的是雙波長半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計(jì) ,雙波長的該儀器常常用到型號為AT 系列 的單片機(jī)控制， 可以采用 AT89S51 單片機(jī)控制， 運(yùn)用人機(jī)對話裝置來連續(xù)調(diào)節(jié)輸出功率和工作時(shí)間 。 AT89S51 單片機(jī) 是由 ATMEL 公司研制的 8 位單片機(jī)，且性能高、功耗低，內(nèi)部構(gòu)件密度高、存儲技 術(shù)非易失性高。它既有 MCS51 單片機(jī)基本指令，同時(shí)也含有 80C51 的引腳結(jié)構(gòu)和 8 位中央處理器，兼具的 ISP Flash 存儲單元也增加了它的相關(guān)功能。 它的引腳如圖32所示，其中， 接口可以連 數(shù)碼顯示管，用于指示工作狀態(tài)； 可以連接鍵盤來作為輸入裝置； 連模數(shù)轉(zhuǎn)換器來控制激光器的輸出功率。 其內(nèi)部資源如表 31 所示。 表 31 AT89S51單片機(jī)內(nèi)部資源表 引腳 40個(gè) 中斷嵌套中斷 2層 片內(nèi)程序存儲器 4k Bytes Flash 可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 16位的 2個(gè) RAM 128bytes 全雙公串行通信口 2個(gè) 外部雙向輸入 /輸出口 32個(gè) 看門狗電路 中斷優(yōu)先級 5個(gè) 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4( M O S I ) P 1 . 5( M I S O ) P 1 . 6( S C K ) P 1 . 7R S T( R X D ) P 3 . 0( T X D ) P 3 . 1( I N T 0 ) P 3 . 2( I N T 1 ) P 3 . 3( T 0 ) P 3 . 4( T 1 ) P 3 . 5( WR ) P 3 . 6( RD ) P 3 . 7X T A L 2X T A L 0GNDV C CP 0 . 0 ( AD 0 )P 0 . 1 ( AD 1 )P 0 . 2 ( AD 2 )P 0 . 3 ( AD 3 )P 0 . 4 ( AD 4 )P 0 . 5 ( AD 5 )P 0 . 6 ( AD 6 )P 0 . 7 ( AD 7 )EA / V P PA L E / P R O GP S E NP 2 . 7 ( A 15 )P 2 . 6 ( A 14 )P 2 . 5 ( A 13 )P 2 . 4 ( A 12 )P 2 . 3 ( A 11 )P 2 . 2 ( A 10 )P 2 . 1 ( A 9 )P 2 . 0 ( A 8 )12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221 圖 32 AT89S51引腳圖 電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的 系統(tǒng) 內(nèi)部常安置鋰電池用于供電，外部長接直流適配器提供電能。針對鋰電池，必須選擇適當(dāng)?shù)碾娫垂芾硇酒?，用于管理電池的充放電?？梢圆捎眯吞枮?的鋰電池，電壓充電限制在 。當(dāng)高于 時(shí)，會產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，高于 5V，發(fā)生爆炸。因?yàn)殇?電池的充電 方式為先恒流再恒壓。故本次課題應(yīng)該采用恒定電流 /恒定電壓算法，型號為 LTC4054 的充電管理芯片。該管理芯片常用在 mp3 播放器和充電器中。在該芯片周圍只第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 11 需添加幾個(gè)簡單的外部元器件即可用于系統(tǒng)充電。 該芯片功能齊全，市場越來越廣闊。 針對治療儀外接直流適配器的設(shè)計(jì)，由于激光器的 PN結(jié) 是在正向低壓的條件下工作，強(qiáng)反向電壓，突然增大的電流不但會使輸出的激光受到影響，也會很容易損壞到半導(dǎo)體激光器。所以設(shè)計(jì)電路時(shí)，要考慮采用穩(wěn)定的恒流源來供電。 為實(shí)現(xiàn)激光器的高穩(wěn)定性和高密度，該電源電路需要電流串聯(lián)而且是負(fù)反饋 的組合電路。因?yàn)檩敵龉β适请S著輸出電流來調(diào)節(jié)的，所以 該恒流源必須有過流保護(hù)并且可以連續(xù)可調(diào)，用于調(diào)節(jié) 激光的輸出功率。恒流源電路框圖如圖 33所示。 本次設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓是 MAXIM 公司生產(chǎn)的 REF02， REF02 電壓輸入范圍在 7V33V 之內(nèi)的都可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓為 5V。該標(biāo)準(zhǔn)電壓足夠滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器在使用過程中的基準(zhǔn)電壓，準(zhǔn)確控制模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，該系統(tǒng)的恒定電流源 電路 如圖 34 所示。 基 準(zhǔn) 串 聯(lián) 調(diào) 整 判 斷 調(diào) 整 取 樣 穩(wěn)壓源負(fù) 載 圖 33 恒定電流源電路框圖 uiR1R2++U2 AR6C1R7M1I0REF02C4R8C2R3L1C3R5R 4 圖 34 恒定電流源電路圖 LTC4054 電池管理芯片的引腳介紹 本次設(shè)計(jì)中用到了 LTC4054 電池管理芯片，該管理芯片的 5 個(gè)引腳的功能具體如下述： (1) GND：接地 (2) VCC：連接電源 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 (3) CHRG：完成充電的準(zhǔn)備工作，當(dāng)該引腳有個(gè) 20微安的弱電流，充電結(jié)束。若系統(tǒng)處在欠壓閉鎖條件下，該引腳斷開，處在高阻狀態(tài)下，此時(shí)系統(tǒng)準(zhǔn)備充電。 (4) BAT:供給鋰電池電流。檢測輸出電壓，當(dāng)提供的電壓達(dá)到 時(shí)，該引腳工作結(jié)束，電源管理芯片停機(jī)，電池結(jié)束充電。 (5) PROG：檢測充電電流，也可以 設(shè)制 充電電流。 電源電池管理芯片的工作原理 （ 1） 正常充電循環(huán)： 當(dāng)電源管理芯片 正常充電循環(huán)時(shí)， VCC 引腳電壓升至充電門限電壓 UVLO 以上時(shí)，在 RPROG 引腳與地之間連接了一個(gè)精度為 1%的設(shè)定電阻來控制充電電流。當(dāng)電池與充電器輸出端相連時(shí)，一個(gè)充電循環(huán)開始。如果 BAT 引腳電平低于 ，充電器進(jìn)入涓流充電模式。在該模式中， LTC4054 提供約 1/10 的設(shè)定充電電流，從而實(shí)現(xiàn)滿電流充電。當(dāng) BAT 引腳電壓升至 以上時(shí)，充電器進(jìn)入恒定電流模式，此時(shí)向電池提供恒定的充電電流。當(dāng) BAT 引腳電壓達(dá)到最終浮充電壓 ()時(shí)， LTC4054 進(jìn)入恒定電壓模式，且充電電流開始減小。當(dāng)充電電流降至設(shè)定值的 1/10，充電循環(huán)結(jié)束。 （ 2）充電電流的設(shè)定： 充電電流是由高精度電阻 RPROG 來設(shè)制的，該電阻連接在 PROG引腳和地之間。 PROG 引腳的輸出電流是電池充電電流的千分之一。 RPROG 和充電的電流采用公式如下： P R O G C H G=1000 0V/ RI (31) 式中 RPROG—— PROG 引腳與地連接處的電阻（ Ω ） ； ICHG—— 經(jīng)過 PROG 引腳的充電電流 （ mA） 。 可以觀察 PROG 的電壓來了解經(jīng)過 BAT 引腳的充電電流 ，公式如下 C H G P R O G P R O G = 100 0 /I V R (32) 式中 VPROG—— PROG 引腳與地之間的電壓（ mV） 。 （ 3） 充電結(jié)束：充電電流經(jīng)過一個(gè)最高 值即浮充電壓之后開始下降，當(dāng)講到設(shè)定值的十分之一時(shí)，充電結(jié)束。此時(shí)，鋰電池承擔(dān) BAT 引腳上的所有部件負(fù)載。在這種狀態(tài)下，電池管 理芯片 通過觀察 BAT 的引腳電壓，來決定是否開始下一次的充電。如果電池內(nèi)沒有電，則充電時(shí)間最長，由下列公式計(jì)算 C H G=1 800 m Ah/TI (33) (4)指示充電狀態(tài)： 充電狀態(tài)輸出具有三種不同的狀態(tài)：強(qiáng)下拉 (約 10mA)、弱下拉 (約20μA) 和高阻抗。強(qiáng)下拉狀態(tài)表示 LTC4054 處于一個(gè)充電循環(huán)中。弱下拉狀態(tài)表示 VCC 滿足門限電壓 UVLO 條件，此時(shí) LTC4054 處于充電就緒狀態(tài)，鋰離子需要充電。高阻抗?fàn)顟B(tài)表示 LTC4054 處于欠壓閉鎖模 式，此時(shí)，要么 VCC 電壓不足，要么電池電量充足不需要充電。利用兩個(gè)不同阻值的上拉電阻，通過單片機(jī)系統(tǒng)檢測出這三種狀，來顯示電池正在充電，充電完成和需要充電這三種狀態(tài)。鋰離子電池的充電原理圖如圖 33，其中 5V為直流適配器輸入端， 3V為鋰離子電池輸入端。 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 13 當(dāng)電池正在充電循環(huán)時(shí)， CHRG 為強(qiáng)下拉狀態(tài)，此時(shí) P45 被拉至低電平。當(dāng)充電停止時(shí)，CHRG 引腳為弱下拉狀態(tài)， P45 口將由 R11 拉至高電平，而 P46 將由 R12 拉至低電平。當(dāng)電池電量充足或充電電壓過低時(shí)， CHRG 引腳為高阻態(tài)，則 P46 將被拉至高電平。 BAT 處的電壓是不斷變化的，當(dāng)增大到某一個(gè)值，它是恒流充電，當(dāng)它在增大到某一個(gè)值，它是恒壓充電。之后電流不斷減少至設(shè)定電壓的十分之一，充電循環(huán)結(jié)束。 G N DR 1 71 0 KQ 1 1P N P0 . 0 1 u FC 1 0R 1 02 KLTC4050V C C B A TP R O G C H R C2 50 . 1 u FC 1 23 . 7 V5 V 圖 35 鋰電池充電電路圖 功率控制電路 系統(tǒng)運(yùn)用場效應(yīng)管的導(dǎo)通特性來實(shí)現(xiàn)對激光器輸出功率的控制。由單片機(jī)控制 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓控制場效應(yīng)管的柵極，場效應(yīng)管接成恒流源的接法，從而通過控制電壓實(shí)現(xiàn)對場效應(yīng)管輸出電流的控制，再使用輸出的電流驅(qū)動(dòng)激光器，實(shí)現(xiàn)對激光器功率的控制，功率控制電路如圖 36 所示。 D/A 轉(zhuǎn)換器采用 TI(德州儀器 )公司的 DAC6573，它是一個(gè)四通道的 D/A 轉(zhuǎn)換器，使用I2C 總線同單片機(jī)接口，可以工作在 188KSPS 的輸出速率下具有 10bit 的分辨率，輸出電壓為 0～